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首都师范大学太赫兹与红外工程技术研究团队:率领团队在太赫兹波的世界里翱翔
作者:   时间:2013年10月10日 【字号: 】【打印本页】【关闭】
  肉眼无法看到的太赫兹射线,可以轻松穿透衣物,检测爆炸物、毒品,还不伤害人体……这一神奇技术都来自首都师范大学科研团队。
  首都师范大学教授张存林是北京市太赫兹与红外工程技术研究中心的负责人。近年来,张存林以太赫兹安检、光谱、成像和红外无损检测为主要特色研究内容,解决了安全检查、质量监控、航空航天等领域一些亟待解决的问题。

图:张存林教授为刘淇书记介绍科研成果

早在2002年,北京市自然科学基金就资助了张存林和他的团队开展了“热敏计算机直接制版版材”项目的研究,并取得了丰硕的成果。而其中心的团队在课题的引领下,也不断成长,多名学生成为该领域的人才。

在中心近期主要推出可以商业化应用的太赫兹安检仪,太赫兹光谱仪,研制医药片剂太赫兹在线质量检测系统,密封液体太赫兹无损识别系统;在红外检测方面,推出面向不同应用的多种热激励集成检测系统,非接触超声热激励检测系统,推广针对裂纹和分层缺陷检测的工程方案,风力叶片检测方法、系统及在线在役检测工程方案。

“中长期主要以研制太赫兹源,太赫兹面阵探测器和研究太赫兹与物质相互作用的疾病规律为导向,不断探索系统在各个领域的实际应用,深化推广红外热波无损检测系统和工程解决方案。”张存林说。

党员团队

作为首师大太赫兹实验室的负责人,张存林所领导的实验室中,共产党员占八成。从2001年筹建实验室以来,张存林和他的团队就没有过休息日,不懈的努力终于使他们在国内唯一拥有了红外热波无损检测技术。这项技术应用在机场安检中,不仅不会伤害人体,而且能够轻松穿透衣物,检测出爆炸物或毒品。此外,该技术还可对火箭发动机关键部件、特种航天材料等进行无损检测。

首都师范大学领导评价说,广大党员结合教学科研实际,在本职岗位上争先进、在日常工作中创优秀,激发、凝聚和提升了党员和全体教职员工的向心力、凝聚力、创造力,才使得学校的科研和自主创新水平有了突破性提升,为学校的科学发展,更为建设科技北京、世界城市服务奠定了坚实的基础。

2001年首都师范大学太赫兹实验室成立时,杨国桢院士任实验室学术委员会主任,张存林教授任实验室主任。在当时,国内在太赫兹研究领域几乎是一片空白。实验室主任张存林教授首先做的是聘请了时任美国伦斯勒理工大学太赫兹中心主任的张希成教授、中国科学院物理研究所张杰院士和汪力研究员作为实验室的特聘教授,同时加大了实验室人才引进的力度,陆续引进了德国留学的张岩研究员和荷兰回国的赵国忠研究员,奠定了太赫兹实验室发展的基础。

索取宝贵战略资源——太赫兹波

太赫兹波(THz波)或称为太赫兹射线(THz射线)是从上个世纪80年代中后期,才被正式命名的,在此以前科学家们将这一波段统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1—10THz范围的电磁波,波长在30um—3mm范围,介于微波与红外线之间,属于全人类的宝贵的电磁资源,也是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间。实际上,早在一百年前,就有科学工作者涉及过这一波段。

在1896年和1897年,Rubens和Nichols就涉及到这一波段,红外光谱到达9um(0.009mm)和20um(0.02mm),之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间,远红外技术取得了许多成果,并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少,主要是缺乏有效太赫兹产生源和灵敏探测器,因此这一波段也被称为THz间隙。随着80年代末90年代初一系列新技术、新材料的发展,特别是超快技术的发展,使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术,THz技术得以迅速发展,并在世界范围内掀起一股THz研究热潮。

太赫兹波有很多优越的特性,在材料分子光谱信息分析、材料与结构的无损探伤及三维层析、违禁物品反恐检查、生物组织的活体检查、高精度保密雷达、卫星间宽带通信等方面的研究中展现了独特的优势,在天体物理学、等离子体物理学、光谱学、材料学、生物学、医学成像、环境科学、信息科学等领域有着广阔的应用前景。

太赫兹波有非常重要的学术和应用价值(有的已处于实用),使得全世界各国都给予了极大的关注,美国、欧州和日本尤为重视。2004年美国TECH.REV.将THz技术列为未来改变世界的十大技术之一,而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首,举全国之力进行研发。另外,俄罗斯、韩国、以色列、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。

致力于攻坚研究

几年艰难发展之后,实验室迎来了千载难逢的发展机遇。2005年11月22日,根据太赫兹科学技术所蕴含的重要学术研究价值,及其在国民经济和国防建设领域的潜在应用前景,结合当时世界各国对这一领域的研究力度和关注,以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的第270次香山会议在北京召开。

来自科研院所、高等院校等相关领域的44名专家学者参加了此次学术讨论会,交流国内外THz科学技术的研究现状和发展趋势,探讨了我国THz科学技术研究的重大科学问题和拟要解决的关键技术。刘盛纲、姚建铨、张杰、杜祥琬、母国光、周炳琨、杨国桢、姜文汉、范滇元、樊明武、朱静等11位院士在会上发言,对THz科学技术的重要性和我国未来发展战略提出了宝贵意见。在会上,张存林教授向与会同行介绍了最近几年的工作,得到了专家同行们的广泛认可。会后,首都师范大学太赫兹实验室被确定为全国太赫兹技术开放研发平台之一(香山会议简报),极大促进了太赫兹科学与技术在我国的发展。

2006年实验室被正式批准为北京市“太赫兹波谱与成像”重点实验室。2007年获批太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室。2008年获批中关村开放实验室。2010年通过教育部验收,正式成为太赫兹光电子学教育部重点实验室。2011年获批北京市太赫兹与红外工程技术研究中心和无损检测新技术北京市工程实验室。实验室具有科研用房3000平方米,其中千级超净实验室6间,面积675平方米。科研仪器设备总值超过4000万元。近三年中,实验室共承担包括国家重大科学仪器设备开发专项、国家973计划、国家863、国家自然科学基金重大项目等各类项目30余项,总科研经费9300多万元;发表SCI索引论文180多篇,其中不乏国际上在物理领域的知名杂志Phys. Rev. Lett.,Appl.Phys.Lett.,OPTICS LETTERS,OPTICS EXPRESS等;申请专利16项,已授权11项;制定国家标准3项;完成学术著作4本。

实验室以太赫兹光电子学的基本物理问题及其应用为主要研究内容,主要开展太赫兹波谱、太赫兹成像、太赫兹和红外无损检测、太赫兹传输与物质相互作用四个研究方向。在太赫兹波谱方向,成功研制宽谱太赫兹时域光谱仪、便携式太赫兹时域光谱仪,并在已有的研制基础上获得科技部重大仪器专项“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”的支持(资助总额1.4035亿元),作为第一技术支撑单位,与大恒新纪元科技股份有限公司合作,开拓太赫兹光谱仪的产业化生产,极大促进了太赫兹领域的发展,为我国太赫兹领域的发展提供了仪器和方法基础。同时在太赫兹波源的发展上,实验室成功研制出高能量宽频谱太赫兹元激发元件,太赫兹超连续辐射的转换效率由国际报道最高水平10-4提高到10-2,提高了两个数量级,谱宽达到最新文献报道的2倍,达到149THz。在太赫兹成像方面,在北京市科学技术委员会的支持下,已成功研制出太赫兹被动式安检仪,采用自行设计制作的三面体微角度旋转扫描结构和16探头弧形线阵列探测方式,能够以每秒3—5帧的速度对人体进行1米×2米的大尺寸被动成像,分辨率达到2cm,具有较好的实用性和可靠性,有望在机场、地铁、重要活动和会议场所等地实现推广应用,也将会带来明显的经济效益,目前正在向产业化推进。在无损检测领域成功解决了航天泡沫拓展缺陷检测的问题,另外一个亮点是利用红外热波无损检测技术,成功解决我国某型大功率运载火箭发动机关键部件分层缺陷的无损检测问题,并成为唯一有效检测手段。现实验室已经取得国家红外无损检测二级培训资质。在太赫兹传输与物质相互作用方面,发表了多篇PRL量级高水平原创论文,成果受到了国际同行的认可。

科技兴国 造福社会

科技创新是科学研究永恒的主题,已成为国际竞争中成败的主导因素,科技竞争力将决定一个国家或地区在未来世界竞争格局中的命运和前途。张存林教授指出,遵循《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》,实验室的发展要以基础研究为基础,要注重鼓励原始创新,不仅要会跟新,更要会自主创新,这样才有生命力,国家的科技实力才能够真正强大,因此实验室必须要注重基础,基础扎实才能够把事情做精。同时他又指出,实验室不能一味地做基础研究,研究的最终目的不仅仅是发表论文和申请专利,基础研究要以国家重大需求为牵引,要将科研成果利用起来,将国家在科研上的投入真正转化为能够促进生产的工具,能够改善民生的方案,能够促进社会发展的推动力,能够增强国力的支撑。

一直以来,科研领域不同程度地存在着重研发、不重转化,重发表、不重运用的现象,评判科研水平、科技“含金量”,关键还是应该看“转化实绩”。

作为实验室负责人,张存林非常重视基础研究与应用开发相结合,使科研成果最终实现产业化。目前,实验室依托现有条件和中关村地区科技资源的优势和作用,深化产学研合作,正式为中关村2万多家注册企业提供相应的技术服务,联合进行关键技术攻关。与北京航空材料研究院、北京维泰凯信新技术有限公司在无损检测领域成立联合实验室,发挥实验室技术和人才培养优势,利用公司的市场推广和渠道优势,成功解决了许多实际问题。比如为安泰科技股份公司进行了多孔面板分层缺陷红外热波无损检测研究,为中国空间研究院502研究所进行了红外成像技术在印制电路板虚焊检测中的可行性研究,中国空间研究院北京卫星厂相关卫星产品材料和部件检测,北京航空材料研究院相关航空材料和部件、产品检测,为北京新材料中心、新材料产业联盟等机构提供相关咨询、培训、服务等,利用太赫兹成像技术为中国运载火箭技术研究院火箭燃料箱泡沫面板脱胶缺陷进行检测,火箭尾焰出气筒烧蚀状况检测,隐身材料太赫兹波段特性分析等。取得了很好的经济效益和社会效益。提供太赫兹光谱检测和分析服务,涉及毒品、爆炸物、生物大分子、医药产品、化学试剂、窗口材料、半导体材料等。

不仅如此,实验室还积极寻求与企业合作。在中关村管委会和民营企业协会领导的安排下,与园区企业共同承担国家航空航天、国防等下一代太赫兹器件研究,共同攻关某些重大技术问题,比如航天和国防中的太赫兹成像、通信、雷达、安检等应用。研制相关国家标准,申请相关专利。帮助园区企业填补太赫兹波段光谱数据空白,共同完善国家毒品和爆炸物太赫兹谱库, 以及其他药品或试剂的太赫兹谱库,丰富企业自主知识产权,同时提供紫外、可见光、近红外、中红外、远红外的光谱测量。为园区企业创造知识产权、创制先进标准服务,参与建立以企业为主体的标准联盟、技术联盟和产业联盟。与园区企业共同承担国家或北京市太赫兹安检设备相关项目的攻关,以及推广太赫兹光谱系统在线监测应用的产业化;共同承担国家和北京市的科技攻关和产业化项目方面。

在实验室走产学研用相结合的发展道路的过程中,不仅发挥了实验室的技术和人员优势,为合作企业带来技术支撑和新的发展机遇,同时企业的参与也使实验室的研究成果得到了市场的放大,更大地实现了实验室成果的价值,真正促进了国家经济和社会的发展。

对于实验室的未来,张存林教授指出:在各级领导的关心和实验室全体人员的共同努力下,实验室已经发展成为国内最好的太赫兹科技开放研发平台之一,首都师范大学太赫兹实验室计划到2015年要在THz科学与技术总体上接近或达到当时的国际水平,在理论和实验研究方面做出与当时国际水平相当的重要贡献;在太赫兹成像及波谱等关键技术上取得自主知识产权,太赫兹光谱仪和太赫兹安检仪形成产业化,满足我国国民经济和国防建设需要;打造一支在国内外有较大影响、研究特色鲜明、在科研、技术、管理有机结合的研究团队;形成相当的研究生培养规模,培养一批高质量的复合型人才,为促进国民经济的发展,为占领下一个国防科技制高点贡献自己的力量。

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  • · 关于王新同志离职的公告(2017-06-30)
  • · 关于公布2017年度京津冀基础研究合作专项申请项目初步审查结果的通知(2017-06-27)
  • · 2017年度北京市自然科学基金委员会-北京市教育委员会联合资助项目拟资助项目公告(2017-06-20)
  • · 关于2017年北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金项目申报的通知(2017-05-31)
  • · 关于公布2017年北京市自然科学基金依托单位注册结果的通知(2017-05-16)
  • · 关于启动北京市自然科学基金资助项目验收工作的通知(2017-05-10)
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